《数字电路与逻辑设计教程 教学课件 作者 郭小春 数字电路与逻辑设计教程第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路与逻辑设计教程 教学课件 作者 郭小春 数字电路与逻辑设计教程第1章（178页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章 微型计算机系统概述,1.1 数字电路概述 1.2 数制和码制 1.3 逻辑代数基础 本章小结,1.1 数字电路概述,1.1.1 数字信号和数字电路 电子技术中的工作信号可以分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号是指时间上和数值上都是连续变化的信号，如电视的图像信号和伴音信号、生产过程中由传感器检测的由某种物理量(如温度、压力)转化成的电信号等。传输、处理模拟信号的电路称为模拟电路。数字信号是指时间和数值上都是断续变化的离散信号，它们的变化发生在离散的瞬间，如电子表的秒信号、由计算机键盘输入到计算机的信号等。它们的值也仅在有限个量化值间阶跃变化，而数字电路就是传送、处理这些数字信号的。这
2、类信号在两种稳定状态(如电位的高、低或脉冲的有、无)之间作阶跃式变化，可以分别表示“0”和“1”两种信号，如脉冲就是其典型的信号。,下一页,返回,1.1 数字电路概述,脉冲就是短时间内出现的电压或电流，或者说间断性的电压或电流叫做脉冲电压或脉冲电流。很明显，前面提及的模拟信号直流和正弦交流信号不是脉冲信号。广义来讲，按非正弦规律变化的电压或电流称为脉冲电压或电流。 数字信号是脉冲信号。正因为如此，有时把数字电路也叫做脉冲电路。但一般情况下，脉冲电路着重研究脉冲信号的产生、变换、放大和测量等。数字电路着重研究构成数字电路各单元之间的逻辑关系。 脉冲参数指为了表征脉冲信号的特性，常用来描述的一些参
3、数。现在以矩形脉冲电压为例介绍脉冲参数。矩形脉冲电压如图1-1所示。,上一页,下一页,返回,1.1 数字电路概述,图中:脉冲幅度Um脉冲电压变化的最大值; 脉冲宽度tp脉冲前沿0.5Um至脉冲后沿0.5Um的一段时间，又称脉冲的持续时间; 脉冲周期T周期性脉冲信号前后两次出现的时间间隔; 重复频率f (1/T)单位时间内脉冲重复的次数; 上升时间tr由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间; 下降时间tf由0.9Um下降到0.1 Um所需要的时间。,上一页,下一页,返回,1.1 数字电路概述,1.1.2 数字电路的特点与分类 数字电路的工作信号一般都是数字信号。在电路中，它往往表现为突变的电压
4、或电流，并且只有两种可能的状态。所以，数字电路中的半导体器件应工作在开关状态。利用器件导通和截止这两种不同的工作状态代表不同的数字信息，来完成信号的传输、传递和处理任务。 通常用0和1表示数字信号最为简单，常用的数字信号是用电压的高、低，脉冲的有、无，分别代表两个离散数值1和0。所以，数字电路在结构、工作状态、研究内容和分析方法等方面都与模拟电路不同，它具有以下特点:,上一页,下一页,返回,1.1 数字电路概述,(1)数字电路在稳态时，半导体器件(如三极管)处于开关状态，即工作在饱和区和截止区。这和二进制信号的要求是相对应的，因为饱和、截止两种状态的外部表现为电流的有、无，电压的高、低，这种有
5、和无、高和低相对应的两种状态分别用1和0两个数码来表示。 (2)数字电路的基本单元电路比较简单，对元器件的精度要求不高，允许有较大的误差。因为数字信号的1和0没有任何数量的含义，而只是状态的含义，所以电路工作时只要能可靠地区分1和0两种状态即可。因此，数字电路便于集成化、系列化生产。它具有使用方便、可靠性高、价格低廉等优点。,上一页,下一页,返回,1.1 数字电路概述,(3)在数字电路中，重点研究的是输入信号和输出信号之间的逻辑关系，以反映电路的逻辑功能。数字电路研究可以分为两种:一种是对已有电路分析其逻辑功能，叫做逻辑分析;另一种是按逻辑功能要求设计出满足逻辑功能的电数字信号，称为逻辑设计。
6、 (4)数字电路的工作状态、研究内容与模拟电路不同，所以分析方法也不相同。在数字电路中，常常是使用真值表、逻辑表达式、波形图、卡诺图、特性方程、状态方程、状态转换表、时序图以及状态转换图等来表示电路功能。 (5)数字电路能够对数字信号进行各种逻辑运算和算术运算，所以在各种数控装置、智能仪表以及计算机中得到广泛应用。,上一页,下一页,返回,1.1 数字电路概述,数字电路按其组成结构的不同可分为分立元件电路和集成电路两大类。其中，集成电路按集成度大小可分为小规模集成电路(SSI，集成度为110门/片)、中规模集成电路(MSI，集成度为10 100门/片)、大规模集成电路(LSI，集成度为1001
7、000门/片)和超大规模集成电路(VLSI，集成度大于1 000门/片)。 按电路所用元器件的不同，数字电路可分为双极型电路和单极型电路。其中，双极型电路又有TTL, DTL, ECL, IIL和HTL等多种，单极型电路有JFET,NMOS、PMOS和CMOS 4种。 按电路逻辑功能的不同特点，数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。,上一页,返回,1.2 数制和码制,上一节介绍了数字信号的两种取值，实际生活中的数字表示大多采用进位计数制。,下一页,返回,1.2 数制和码制,1.2.1 进位计数制与常用计数制 用数字量表示物理量大小时，仅用一位数码往往不够用，经常需要用进位计数的方法组
8、成多位数码表示。把多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为计数制。在生产实践中除了人们最熟悉的十进制以外，还大量使用各种不同的进位计数制，如八进制、十六进制等。在数字设备中，机器只认识二进制代码，由于二进制代码书写长，所以在数字设备中又常采用八进制代码或十六进制代码。 无论使用哪种进位计数制，数值的表示都包含两个基本要素:基数和位权。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,一种进位计数制允许使用的基本数字符号的个数，称为这种进位计数制的基数。一般而言，J进制数的基数为J，可供使用的基本数字符号有J个，它们分别是0(J-1)，每个数位计满J就向其高位进1，即“逢J进1”。 进
9、位计数制中每位数字符号所表示的数值等于该数字符号值乘以一个与数字符号所处位置有关的常数，这个常数就称为位权，简称权。位权的大小是以基数为底、数字符号所处位置的序号为指数的整数次幂。各数字符号所处位置的序号计法为:以小数点为基准，整数部分自右向左依次为0, 1, 2,，小数部分自左向右依次为-1、-2,。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,任何进制数的值都可以表示为该进制数中各位数字符号值与相应权乘积的累加和形式，该形式称为按权展开的多项式之和。一个J进制数(N为按权展开的多项式的普遍形式可表示为: 式中，K为任意进制数中第i位的系数，可以为0 (J-1)数码中的任何一个;i是数字符号所
10、处位置的序号;m和n为整数，m为小数部分位数(取负整数)，n为整数部分位数(取正整数);.J为进位基数，Ji为第i位的权值。例如，十进制数(123.75 )10表示为:,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,1.十进制(Decimal ) 十进制是日常生活中最常用的进位计数制。在十进制数中，每一位有0 9共10个数码，所以计数的基数是10。超过9的数必须用多位数表示，其中低位和相邻高位之间的关系是“逢十进一”，故称为十进制。根据式 任何一个十进制数均可展开并计算其数值的大小。例如:,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,2.二进制(Binary) 目前在数字电路中应用最多的是二进制。在
11、二进制数中每一位数有0和1两个可能，所以计数基数为2。低位和相邻高位间的进位关系是“逢二进一”，故称为二进制。例如: 上式中使用下脚注的2和10表示括号里的数是二进制数和十进制数，有时也用B ( Binary)和D ( Decimal)代替2和10这两个脚注。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,计算机内部采用二进制表示，具有以下几个优点。 1)技术容易实现 因为组成计算机的电子器件本身具有可靠稳定的“开”和“关”两种状态，用于表示二进制数位上的0, 1时，易于存放、传送和处理。 2)运算规则简单 两个一位二进制数的和、积运算组合各仅有3种:0+0=0, 0+1=1+0=1,1+1=0(
12、向高位进1)及00=0,01=1,0=0, 11 =1。而两个一位十进制数和、积运算组合各有55种之多。二进制数运算规则简单，有利于简化计算机内部结构，并提高运算速度。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,3)与逻辑量吻合 逻辑量1, 0表示一个事物的正、反两个方面，如是/非、真/假、对/错等。虽然逻辑量并不具有数值概念，但形式上正好与进制代码相吻合，为计算机进行逻辑运算提供了条件。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,3.十六进制(Hexadecimal ) 十六进制数的每一位有16个不同的数码，分别用09、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)表
13、示。根据式 ，任意一个十六进制数可展开并计算其大小。 例如:,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,式中的下脚注16表示括号里的数是十六进制数，有时也用H ( Hexadecimal)代替这个脚注。 另外，以前也常用八进制(Octadic)作为计算机应用中数据的书写形式。八进制数与二进制数也有简单的对应关系。 表1-1给出了进制数(K2,K1,K0,K-1)，当J分别为2, 8, 10, 16时的各位权值的对照。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,1.2.2 数制转换 1.非十进制数转换成十进制数 如前所述，任何进制数只要求出其按权展开的多项式之和，该和值便是对应的十进制数。非十进
14、制数只要利用它们按权展开的多项式再逐项相加，所得的值便是对应的十进制数。 【例1-1】求二进制数(l0l 1.011) 2所对应的十进制数。 解 把二进制数(l0l 1.011) 2按权展开得 (1011.011)2=123 +022 +121+120 +02-1+12-2 +1x2-3 =8+2+1+0.25+0.125 =(11.375)10。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,【例1-2】求八进制数(153.07 )8所对应的十进制数。 解 把八进制数(153.07 )8按权展开得 (153.07)8 =1x82 +5x81 +3 x80 +0x8-1+7x8-2 =64+40+
15、3+0.109375 =(103.109 375)10。 【例1-3】求十六进制数(E93.A)16所对应的十进制数。 解 把十进制数(E93.A)16按权展开得 (E93.A)16=14 x 162+9x161+3 x 160+10 x 16-1 =3584+144+3+0.062 5 =(3731.062 5)10。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,2.十进制数转换成其他进制数 十进制数转换成其他进制数相对于非十进制数转换成十进制数要复杂一点。其中，十进制数的整数部分和小数部分要用不同的方法加以处理。 整数转换采用基数除法，即将待转换的十进制数除以新进位制的基数并取其余数，其步骤
16、如下。 (1)将待转换的十进制数除以新进位制的基数R，使其余数作为新进位制数的最低位。 (2)将步骤(1)所得的商再除以新进位制基数R，记下余数，作为新进位制数的次低位。 (3)重复步骤(2)，将每次所得的商除以新进位制基数，记下余数，得到新进位制数相应的各位，直到最后相除的商为0，这时的余数即为新进位制数的最高位。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,【例1-4】求十进制数(26)10所对应的二进制数。 因此(26)10=(11010)2。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,【例1-5】求十进制数(357 ) 10所对应的八进制数。 解 因此(357 )10=(545)8。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,【例1-6】求十进制数(367)10所对应的十六进制数。 解 因此(367 )10=(16F)16。,上一页,下一页,返回,1.2 数制和码制,纯小数部分的转换则采用基数乘法，即将待转换的十进制的纯小数逐次乘以新进位制基数R，取乘积的整数部分作为新进位制的有效数字。 待转换
